大型暗物質(zhì)探測實驗組PandaX發(fā)表重要成果

　　今天，以中國科學(xué)家為主導(dǎo)的大型暗物質(zhì)探測實驗組PandaX（熊貓計劃）在上海交通大學(xué)發(fā)布了實驗組使用120公斤級液氙探測器所獲得的首批數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果對以往國際上發(fā)現(xiàn)的疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號提出質(zhì)疑。PandaX是中國開展的首個百公斤級大型暗物質(zhì)實驗，它的運行結(jié)果標(biāo)志著中國在暗物質(zhì)探測這個前沿科學(xué)領(lǐng)域跨進(jìn)世界先進(jìn)行列。
　　本世紀(jì)以來，國際上相繼開展了20多個暗物質(zhì)探測實驗，利用暗物質(zhì)和探測器的直接碰撞來尋找暗物質(zhì)。特別是近幾年來，意大利DAMA/LIBRA實驗，美國CoGeNT和CDMS兩個實驗，以及德國CRESST實驗先后宣稱發(fā)現(xiàn)了疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)的信號。這些信號引起了科學(xué)界和公眾的強(qiáng)烈興趣。
　　今天，上海交大物理與天文系教授季向東代表PandaX合作組宣布，經(jīng)過今年5月開始的一個多月的運行，證實該實驗組設(shè)計和研制的120公斤級液氙探測器的靈敏度已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，因而能夠?qū)ζ駷橹顾幸伤瓢滴镔|(zhì)探測實驗所獲得的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行高精度的驗證。但是，PandaX合作組至今的探測尚未發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)的事例，這個測量結(jié)果和一些其他實驗所發(fā)現(xiàn)的輕質(zhì)量暗物質(zhì)疑似信號不兼容。
　　PandaX是“粒子和天體物理氙探測器”（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）的英文簡寫。該實驗利用在空氣中提純的惰性元素氙（Xe）作為探測媒介來尋找暗物質(zhì)。該實驗由上海交通大學(xué)牽頭組織領(lǐng)導(dǎo)，包括中國和美國的6家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)（山東大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所、北京大學(xué)、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司、美國馬里蘭大學(xué)和美國密西根大學(xué)），共40多位研究人員參與。
　　物理和天文學(xué)家通過大量的天文觀測推斷出宇宙中約27%的成分由一種有質(zhì)量卻與普通物質(zhì)沒有電磁和強(qiáng)相互作用的暗物質(zhì)組成。在銀河系里，暗物質(zhì)比熟知的普通物質(zhì)多了20倍以上。地球以及太陽系在這個銀河系中的暗物質(zhì)“霧霾”里運動。暗物質(zhì)可以在普通物質(zhì)比如地球中穿梭來往，幾乎沒有阻攔。然而，在“希格斯”粒子發(fā)現(xiàn)以后已經(jīng)完備的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中卻無法找到暗物質(zhì)的解釋。暗物質(zhì)的本性之謎被普遍認(rèn)為是21世紀(jì)物理和天文學(xué)中最具有挑戰(zhàn)性的問題之一。
　　PandaX合作組首期實驗用約120公斤的液態(tài)氙作為靶點子來探測，其主要目標(biāo)是檢驗其他實驗發(fā)現(xiàn)的輕質(zhì)量暗物質(zhì)疑似事例。這個探測規(guī)模僅次于世界上最大的、位于美國南達(dá)科他州地下礦井中的一個同類實驗LUX。為了躲避宇宙射線的干擾，PandaX實驗在世界最深的四川錦屏地下實驗室進(jìn)行。這個實驗場所在2010年由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司聯(lián)合開發(fā)。該地下實驗室進(jìn)行的另外一個暗物質(zhì)探測實驗，是由清華大學(xué)牽頭的暗物質(zhì)探測實驗組CDEX，利用低閾能的鍺探測器進(jìn)行輕質(zhì)量暗物質(zhì)探測。CDEX也在今年發(fā)布了探測結(jié)果，對CoGeNT所探測到的疑似信號提出質(zhì)疑。
　　季向東表示，這類實驗的主要困難是地球上無處不在的放射性。宇宙線的干擾可以用極深的山洞上方的巖石覆蓋來阻擋。在PandaX實驗里，山洞巖石的放射性由一個100噸的聚乙烯、鉛及高純銅組成的屏蔽體來屏蔽。液氙內(nèi)部的放射性元素氪被蒸餾的辦法降低到低于百億分之一的濃度。此外，探測器和屏蔽體所用的材料和光電倍增管，都預(yù)先經(jīng)過了放射檢測站的檢測和預(yù)選，以確保它們本身的放射性強(qiáng)度不會給實驗探測造成顯著的本底干擾。
　　PandaX項目采用了先進(jìn)的“二相型氙”技術(shù)，來捕捉暗物質(zhì)粒子與氙原子核發(fā)生彈性碰撞而產(chǎn)生的微弱信號。當(dāng)氙原子受到暗物質(zhì)粒子的碰撞時會得到一定的能量，在液氙中反沖產(chǎn)生光信號和電離電子。電子在強(qiáng)電場作用下向氣態(tài)氙漂移，沖進(jìn)氣體產(chǎn)生二次發(fā)光信號。這兩個信號都能夠被探測器頂部和底部的“攝像機(jī)”——光電倍增管陣列探測到，從而可以用來判別碰撞所發(fā)生的空間位置；而利用這兩個信號的相對大小就可以區(qū)分來自暗物質(zhì)或其他放射性所產(chǎn)生的事件。
　　即使通過各種辦法來減少本底，在今年5月開始的暗物質(zhì)探測數(shù)據(jù)中，PandaX探測器記錄了大約400萬個事例，在暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的能區(qū)中有大約1萬個事例，而在探測器最“安靜”的中心——37公斤液氙中只有46個事例。通過和放射源的定標(biāo)比較，這最后的46個事例全部來自于放射性本底，沒有任何暗物質(zhì)留下的痕跡。PandaX此次結(jié)果結(jié)合了低閾能和大曝光量兩個優(yōu)勢，對以往實驗中所有發(fā)現(xiàn)的疑似信號提出了強(qiáng)烈的質(zhì)疑。
　　據(jù)悉，PandaX項目2010年正式在中國開始。2012年7月，合作組在上海交通大學(xué)完成了制冷設(shè)備、杜瓦系統(tǒng)內(nèi)外罐、首期探測器的建造和初步調(diào)試。同時，實驗需要的屏蔽體也在錦屏地下實驗室搭建完成。實驗設(shè)備在2012年8月16日運抵四川錦屏山。從2012年至2014年初，實驗組在錦屏山對整個實驗系統(tǒng)進(jìn)行了安裝和調(diào)試，完成了兩次試運行，成功測試了制冷系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并完成了對“二相型氙技術(shù)”的驗證，對探測系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)和測試，得到了能夠檢測以往實驗發(fā)現(xiàn)疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號所需要的低閾能。
　　季向東表示，PandaX能在如此短的探測時間內(nèi)得出具有國際影響力的結(jié)果，關(guān)鍵在于使用了近十年來發(fā)展最迅速的液氙探測技術(shù)。歐洲和美國在這個技術(shù)上正在加大投入。目前，世界上運行中最大的該類型探測器是美國的250公斤級LUX探測器。在首次排除了較輕的疑似暗物質(zhì)信號以后，PandaX將繼續(xù)以更高的靈敏度尋找相互作用更微弱的輕質(zhì)量暗物質(zhì)。同時，正在建造一個500公斤級的探測器，尋找理論家所預(yù)言的、更有可能是較重質(zhì)量的一類暗物質(zhì)粒子。
　　該研究成果的正式論文已被《Science China Physics， Mechanics & Astronomy》 （《中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)》英文版）雜志接收發(fā)表，同時發(fā)布在高能物理文獻(xiàn)網(wǎng)上。

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實驗物理學(xué)界對理論物理學(xué)界的又一次嘗試